JP2014000824A - Multilayered material sheet and process for its preparation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、延伸ポリマーの一方向性単層の圧密化スタック(積み重ね)を含む多層材料シートおよびその調製方法に関する。また本発明は、該多層材料シートを含む耐弾性物品にも関する。 The present invention relates to a multilayer material sheet comprising a unidirectional monolayer consolidated stack of stretched polymers and a method for its preparation. The present invention also relates to an elastic resistant article including the multilayer material sheet.
延伸ポリマーの一方向性単層の圧密化スタックを含む多層材料シートは、EP1627719A1号明細書から知られている。この公報は、超高分子量ポリエチレンからなる複数の一方向性単層を含み、結合マトリックスを本質的に含まない多層材料シートを開示しており、該スタック内の2つの連続した単層の延伸方向は異なる。EP1627719A1号明細書に開示されている多層材料の単層は、互いに隣接する複数の超高分子量ポリエチレンのテープを位置決めすることによって製造され、隣接して位置決めされたテープは、その側面縁部に沿って少なくとも部分的に重なり合う。既知の多層材料は、重なりなしに製造することができない。また、良好な防弾特性を得るために、EP1627719A1号明細書の材料シートは、本質的に結合マトリックスを存在させず、超高分子量ポリエチレンを排他的に使用する。 A multilayer material sheet comprising a consolidated stack of unidirectional monolayers of stretched polymer is known from EP 1627719 A1. This publication discloses a multilayer material sheet comprising a plurality of unidirectional monolayers of ultra-high molecular weight polyethylene, essentially free of a bonding matrix, and the orientation direction of two consecutive monolayers in the stack Is different. A single layer of multilayer material disclosed in EP 1627719 A1 is produced by positioning a plurality of ultra high molecular weight polyethylene tapes adjacent to each other, the adjacent positioned tapes being along their side edges. At least partially overlap. Known multilayer materials cannot be produced without overlap. Also, in order to obtain good ballistic properties, the material sheet of EP 1627719 A1 essentially does not have a binding matrix and exclusively uses ultra high molecular weight polyethylene.
EP1627719A1号明細書に従う多層材料シートは満足できる弾道性能を示すが、この性能はさらに改善することが可能である。 The multilayer material sheet according to EP 1627719 A1 shows satisfactory ballistic performance, but this performance can be further improved.
本発明の目的は、既知の材料と少なくとも同様の防弾特性を有し、容易に製造することができる多層材料シートを提供することである。 It is an object of the present invention to provide a multilayer material sheet that has at least the same ballistic properties as known materials and can be easily manufactured.
この目的は、延伸ポリマーの一方向性単層の圧密化スタックを含む多層材料シートを提供することにより本発明に従って達成され、該スタック内の2つの連続した単層の延伸方向は異なり、少なくとも1つの単層は少なくとも1つの延伸ポリマーの一方向性テープを含み、各テープは長手方向縁部を含み、単層は、長手方向縁部の実質的な長さに隣接しておよびそれに沿って重なりがないか、あるいは厚さの増加した領域がない。好ましくは、単層は、少なくとも1つの一方向性テープの長手方向縁部の長さの少なくとも50%、60%、70%、80%、90%または95%に隣接しておよびそれに沿って重なりがないか、あるいは厚さの増加した領域がない。より好ましくは、単層は、少なくとも1つの一方向性テープの長手方向縁部の全長に沿っておよび隣接して重なりがないか、あるいは厚さの増加した領域がない。 This object is achieved according to the present invention by providing a multilayer material sheet comprising a unidirectional single layer consolidated stack of stretched polymers, the stretch directions of two consecutive monolayers in the stack being different and at least 1 One single layer includes at least one stretched polymer unidirectional tape, each tape including a longitudinal edge, the single layer overlapping adjacent to and along a substantial length of the longitudinal edge. There are no or increased areas of thickness. Preferably, the monolayer overlaps adjacent to and along at least 50%, 60%, 70%, 80%, 90% or 95% of the length of the longitudinal edge of the at least one unidirectional tape. There are no or increased areas of thickness. More preferably, the monolayer has no overlap or no increased thickness area along and adjacent to the entire length of the longitudinal edge of the at least one unidirectional tape.
重なりまたは過剰なレベルのバインダーがない単層の形成は、単層がより容易に積み重ねられて、均一の面密度を有する多層材料シートに圧縮されることを可能にし、多層材料シートの全域にわたってより均質な防弾性能が得られる。 The formation of a single layer without overlapping or excessive levels of binder allows the single layers to be more easily stacked and compressed into a multilayer material sheet having a uniform areal density and more over the entire area of the multilayer material sheet. Homogeneous bulletproof performance can be obtained.
本発明の1つの実施形態では、この目的は、延伸ポリマーの一方向性単層の圧密化スタックを含む多層材料シートおよび該多層材料シートの製造方法によって達成され、該スタック内の2つの連続した単層の延伸方向は異なり、少なくとも1つの単層は、同一方向に位置合わせされた複数の延伸ポリマーの一方向性テープを含み、隣接するテープは重なり合わない。 In one embodiment of the present invention, this object is achieved by a multilayer material sheet comprising a unidirectional single-layer consolidated stack of stretched polymers and a method of manufacturing the multilayer material sheet, wherein two successive layers in the stack The stretching directions of the single layers are different, and at least one single layer includes a plurality of stretched polymer unidirectional tapes aligned in the same direction, and adjacent tapes do not overlap.
本発明に従う多層材料シート、すなわち一方向性テープの長手方向縁部に隣接しておよびそれに沿って厚さの増加した領域、例えば長手方向のテープの重なり、または重なり合う結合材料と共に広範囲にわたって結合されたテープが実質的に存在しないシートは、シートの防弾特性をただ改善するだけでなく予想外に高度まで改善することが分かる。好ましくは、単層は、少なくとも1つの一方向性テープの長手方向縁部に沿って(横断方向の交差ではない)およびそれに隣接して延在する厚さの増加した領域を含まない。一方向性テープの長手方向縁部に沿っておよび隣接して延在する厚さの増加した領域の発生は、テープが織物構造を形成するように位置合わせされる場合に観察されるような一方向性テープの横断方向の重なりに起因する厚さの増加した領域と比較して、均質な圧密化スタックを形成するのがより困難である。 Multilayer material sheets according to the invention, i.e. extensively bonded with and along the longitudinal edge of a unidirectional tape, with increased thickness areas, e.g. longitudinal tape overlap, or overlapping bonding materials It can be seen that a sheet that is substantially free of tape not only improves the ballistic properties of the sheet, but also unexpectedly improves it. Preferably, the monolayer does not include an increased thickness region extending along (but not transverse to) the longitudinal edge of at least one unidirectional tape and adjacent thereto. The occurrence of increased thickness regions extending along and adjacent to the longitudinal edge of the unidirectional tape is one such as observed when the tape is aligned to form a woven structure. It is more difficult to form a homogeneous consolidated stack compared to the increased thickness region due to the transverse overlap of directional tapes.
本発明に従う特に好ましい多層材料シートは単層のスタックを含み、各単層は、同一方向に位置合わせされた複数の延伸ポリマーの一方向性テープで構成され、各単層において隣接するテープは重なり合わない。本発明に従う材料シートは、既知の材料シートよりも均質である。実際、重なりの場所において、既知の材料シートは面密度の増大したゾーンを有し得る。これらのゾーンは本発明の材料シートには存在しないか、あるいは発生の度合いがより少ない。この特徴は、驚くことに、防弾特性を改善する。 A particularly preferred multilayer material sheet according to the present invention comprises a stack of single layers, each single layer being composed of unidirectional tapes of a plurality of stretched polymers aligned in the same direction, with adjacent tapes in each single layer overlapping. Do not fit. The material sheet according to the invention is more homogeneous than the known material sheet. In fact, at the location of overlap, the known material sheets can have zones of increased areal density. These zones are not present in the material sheet of the present invention or are less likely to occur. This feature surprisingly improves the ballistic properties.
本発明の多層材料シートの単層は、好ましくは、テープの長手方向縁部を互いにできるだけ近づけて、そして好ましくは近接して接触させて複数のテープを位置決めすることによって製造される。しかしながら、経済的な速度で工業規模における単層の製造を可能にするためには、隣接するテープ間の間隙を許容することが望ましいであろう(すなわち、単層内の隣接するテープはその長手方向縁部に沿って接触しない−0%よりも大きい間隙)。好ましくは、本発明に従う材料シートは、単層内の隣接するテープ間の間隙が隣接する一方向性テープの幅の10%よりも小さく、さらにより好ましくは5%よりも小さく、またさらにより好ましくは隣接する一方向性テープの幅の3%よりも小さいことを特徴とする。最も好ましくは、単層内の隣接するテープ間の間隙は1%よりも小さい。 A single layer of the multilayer material sheet of the present invention is preferably produced by positioning a plurality of tapes with the longitudinal edges of the tapes as close as possible to each other and preferably in close contact. However, it would be desirable to allow gaps between adjacent tapes (ie, adjacent tapes within a single layer have their longitudinal length to allow for the production of single layers on an industrial scale at an economical rate. No contact along directional edge-gap greater than 0%). Preferably, the material sheet according to the present invention is such that the gap between adjacent tapes in a single layer is less than 10% of the width of adjacent unidirectional tapes, even more preferably less than 5%, and even more preferably. Is less than 3% of the width of adjacent unidirectional tapes. Most preferably, the gap between adjacent tapes in a single layer is less than 1%.
この好ましい実施形態に従う材料シートは容易に製造され、それでも間隙のない材料シートと同様のレベルの防弾特性を示す。本発明に従う単層は、好ましくは、複数のテープをその長手方向縁部が互いに接するように位置決めすることによって製造されるが、十分な幅を有するただ1本の(十分に幅広の)テープで構成される単層も本発明の範囲内に含まれる。何故なら、このような単層は、少なくとも1つの一方向性テープの長手方向縁部の長さに沿っておよび隣接して厚さの増加した領域を示さないからである。 The material sheet according to this preferred embodiment is easily manufactured and still exhibits the same level of ballistic properties as the material sheet without gaps. A single layer according to the invention is preferably produced by positioning a plurality of tapes such that their longitudinal edges touch each other, but with only one (sufficiently wide) tape having a sufficient width. Constructed monolayers are also included within the scope of the present invention. This is because such a single layer does not exhibit increased thickness areas along and adjacent to the length of the longitudinal edge of at least one unidirectional tape.
各テープが隣接するテープに対して平行に配向され、そして隣接するテープのかなりの量、すなわち少なくとも90%が重なり合わないように複数の延伸ポリマーテープを位置合わせすることによって、既知の材料以上に改善された防弾性能が達成される。従来技術によると、EP1627719A1号明細書に記載されるように、一方向性単層は、1つの平面内で平行に配向されるが部分的に重なり合う複数の高強度の一方向性ポリエチレンテープを含み、重なり合う領域は、約5mm〜40mm程度の幅を有する。代替の実施形態によると、幅約5〜20mmの狭い高分子フィルムが2本の隣接するテープ間の接触領域上に置かれる。本発明の好ましい実施形態の多層材料シートの追加的な利点は、良好な防弾特性を得るためにこのような追加の高分子フィルムが必要とされないことである。さらに、本発明で定義されるように厚さの増加した領域を含まないテープを有することにより、圧力下で単層を順次積み重ねて圧密化すると、従来技術と比較して多層材料シートのより均質な面密度または厚さを得られるであろう。 More than known materials by aligning multiple stretched polymer tapes so that each tape is oriented parallel to the adjacent tape and a substantial amount of adjacent tape, i.e., at least 90% do not overlap. Improved bulletproof performance is achieved. According to the prior art, as described in EP 1627719 A1, a unidirectional monolayer comprises a plurality of high-strength unidirectional polyethylene tapes oriented in parallel in a plane but partially overlapping. The overlapping region has a width of about 5 mm to 40 mm. According to an alternative embodiment, a narrow polymer film with a width of about 5-20 mm is placed on the contact area between two adjacent tapes. An additional advantage of the multilayer material sheet of the preferred embodiment of the present invention is that no such additional polymer film is required to obtain good ballistic properties. In addition, by having a tape that does not contain areas of increased thickness as defined in the present invention, stacking and consolidating single layers sequentially under pressure results in a more homogeneous multilayer material sheet compared to the prior art. Will obtain a good areal density or thickness.
本発明に従う多層材料シートの特に好ましい実施形態は、シートを製造するポリマーが、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、特にポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)、液晶ポリマーおよびはしご状ポリマー、例えばポリベンゾイミダゾールまたはポリベンゾオキサゾールなど、特にポリ(1,4−フェニレン−2,6−ベンゾビスオキサゾール)、またはポリ(2,6−ジイミダゾ[4,5−b−4’,5’−e]ピリジニレン−1,4−(2,5−ジヒドロキシ)フェニレン)からなる群から選択されることを特徴とする。これらのポリマーからの一方向性テープおよび単層は、好ましくは、材料形態、例えばフィルムを適切な温度で延伸することによって高度に配向されている。一方向性テープおよび単層とは、本出願との関連では、一方向、すなわち延伸方向におけるポリマー鎖の好ましい配向を示すテープおよび単層を意味する。このようなテープおよび単層は、延伸、好ましくは一軸延伸によって製造することができ、異方性の機械特性を示すであろう。 A particularly preferred embodiment of the multilayer material sheet according to the invention is that the polymer from which the sheet is made is a polyolefin, polyester, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyamide, in particular poly (p-phenylene terephthalamide), a liquid crystal polymer and a ladder polymer, for example Such as polybenzimidazole or polybenzoxazole, in particular poly (1,4-phenylene-2,6-benzobisoxazole), or poly (2,6-diimidazo [4,5-b-4 ′, 5′-e] It is selected from the group consisting of pyridinylene-1,4- (2,5-dihydroxy) phenylene). Unidirectional tapes and monolayers from these polymers are preferably highly oriented by stretching the material form, eg, film, at an appropriate temperature. Unidirectional tapes and monolayers in the context of this application mean tapes and monolayers that exhibit a preferred orientation of the polymer chains in one direction, ie the stretch direction. Such tapes and monolayers can be produced by stretching, preferably uniaxial stretching, and will exhibit anisotropic mechanical properties.
本発明の多層材料シートは比較的低い強度を有する延伸ポリマーの使用を可能にし、従って、良好な防弾性能を得るために超高分子量ポリエチレンを必要としない。しかしながら、その好ましい実施形態は超高分子量ポリエチレンを含む。超高分子量ポリエチレンは線状でも分枝状でもよいが、好ましくは線状ポリエチレンが使用される。線状ポリエチレンは、本明細書では、100個の炭素原子につき1つよりも少ない側鎖、好ましくは300個の炭素原子につき1つよりも少ない側鎖を有するポリエチレンを意味すると理解され、側鎖または分枝は通常少なくとも10個の炭素原子を含有する。例えばEP0269151号明細書に記載されるように、側鎖は、2mm厚の圧縮成形フィルムにおけるFTIRによって適切に測定することができる。線状ポリエチレンは、さらに、5mol%までのプロペン、ブテン、ペンテン、4−メチルペンテン、オクテンなどの共重合させることができる1つまたは複数の他のアルケンを含有することができる。好ましくは、線状ポリエチレンは高モル質量を有し、固有粘度(IV、135℃においてデカリン溶液で測定)は少なくとも4dl/g、より好ましくは少なくとも8dl/g、最も好ましくは少なくとも10dl/gである。このようなポリエチレンは、超高分子量ポリエチレンとも呼ばれる。固有粘度は、MnおよびMwのような実際のモル質量パラメータよりも容易に決定することができる分子量の尺度である。このタイプのポリエチレンフィルムは、特に良好な防弾特性をもたらす。 The multilayer material sheet of the present invention allows the use of stretched polymers having a relatively low strength, and therefore does not require ultra high molecular weight polyethylene to obtain good ballistic performance. However, its preferred embodiment comprises ultra high molecular weight polyethylene. The ultra high molecular weight polyethylene may be linear or branched, but preferably linear polyethylene is used. Linear polyethylene is understood herein to mean a polyethylene having less than one side chain per 100 carbon atoms, preferably less than one side chain per 300 carbon atoms. Or the branch usually contains at least 10 carbon atoms. For example, as described in EP 0269151, the side chain can be appropriately measured by FTIR in a 2 mm thick compression molded film. The linear polyethylene can further contain up to 5 mol% of one or more other alkenes that can be copolymerized, such as propene, butene, pentene, 4-methylpentene, octene. Preferably, the linear polyethylene has a high molar mass and the intrinsic viscosity (IV, measured with decalin solution at 135 ° C.) is at least 4 dl / g, more preferably at least 8 dl / g, most preferably at least 10 dl / g. . Such polyethylene is also called ultra high molecular weight polyethylene. Intrinsic viscosity is a measure of molecular weight that can be more easily determined than actual molar mass parameters such as Mn and Mw. This type of polyethylene film provides particularly good ballistic properties.
本発明に従うテープは、フィルムの形態で調製することができる。このようなフィルムまたはテープの好ましい形成方法は、無端ベルトの組み合わせの間に高分子粉末を供給し、高分子粉末をその融点よりも低い温度で圧縮成形し、そして得られた圧縮成形ポリマーを圧延し、続いて延伸することを含む。このような方法は、例えば、参照によって本明細書中に援用されるEP0733460A2号明細書に記載されている。所望される場合には、ポリマー粉末を供給および圧縮成形する前に、ポリマー粉末は、前記ポリマーの融点よりも高い沸点を有する適切な液体有機化合物と混合されてもよい。圧縮成形は、無端ベルトを搬送しながらポリマー粉末を無端ベルトの間に一時的に保持することによって実行されてもよい。これは、例えば、無端ベルトに接続された加圧プラテンおよび/またはローラを提供することによって行うことができる。この方法で使用されるUHMWPEポリマーは、固体状態で延伸可能であることが必要とされる。 The tape according to the invention can be prepared in the form of a film. A preferred method of forming such a film or tape is to supply the polymer powder during the endless belt combination, compress the polymer powder at a temperature below its melting point, and roll the resulting compression molded polymer. Followed by stretching. Such a method is described, for example, in EP 0 733 460 A2, which is incorporated herein by reference. If desired, prior to feeding and compression molding the polymer powder, the polymer powder may be mixed with a suitable liquid organic compound having a boiling point higher than the melting point of the polymer. Compression molding may be performed by temporarily holding the polymer powder between the endless belts while conveying the endless belts. This can be done, for example, by providing a pressure platen and / or roller connected to an endless belt. The UHMWPE polymer used in this method is required to be stretchable in the solid state.
フィルムのもう1つの好ましい形成方法は、ポリマーを押出機に供給し、その融点よりも高い温度でフィルムを押出し、そして押出されたポリマーフィルムを延伸することを含む。所望される場合には、ポリマーを押出機に供給する前に、好ましくは超高分子量ポリエチレンを用いる場合などのように、ポリマーは適切な液体有機化合物と混合され、例えばゲルを形成してもよい。 Another preferred method of forming the film involves feeding the polymer to an extruder, extruding the film at a temperature above its melting point, and stretching the extruded polymer film. If desired, the polymer may be mixed with a suitable liquid organic compound, for example to form a gel, such as when using ultra high molecular weight polyethylene, preferably before feeding the polymer to the extruder. .
製造されたフィルムの延伸、好ましくは一軸延伸は、当該技術分野において既知の手段によって実行され得る。このような手段は、適切な延伸装置における押出伸長および引張伸長を含む。機械的な強度および剛性の増大を達成するために、延伸は多段階で実行されてもよい。好ましい超高分子量ポリエチレンフィルムの場合、延伸は、通常、多数の延伸ステップで一軸的に実行される。第1の延伸ステップは、例えば、3の伸長係数までの延伸を含むことができる。多数回の延伸によって、通常、120℃までの延伸温度では9の伸長係数、140℃までの延伸温度では25の伸長係数、150℃までおよびそれより高い延伸温度では50の伸長係数が得られる。上昇する温度における多数回の延伸によって、約50以上の伸長係数が達成され得る。この結果、高強度テープが得られ、それによって、超高分子量ポリエチレンのテープの場合、1.5GPa〜1.8GPaおよびそれ以上の強度を得ることができる。 Stretching of the produced film, preferably uniaxial stretching, can be performed by means known in the art. Such means include extrusion stretching and tensile stretching in suitable stretching equipment. Stretching may be performed in multiple stages to achieve increased mechanical strength and stiffness. For the preferred ultra high molecular weight polyethylene film, stretching is usually performed uniaxially in a number of stretching steps. The first stretching step can include, for example, stretching up to an elongation factor of 3. Multiple stretches typically yield an elongation factor of 9 at stretch temperatures up to 120 ° C., an elongation factor of 25 at stretch temperatures up to 140 ° C., and an elongation factor of 50 at stretch temperatures up to 150 ° C. and higher. By multiple stretching at increasing temperatures, an elongation factor of about 50 or more can be achieved. As a result, a high-strength tape is obtained, whereby a strength of 1.5 GPa to 1.8 GPa or more can be obtained in the case of an ultra-high molecular weight polyethylene tape.
得られた延伸テープは、それ自体が単層を製造するように使用されてもよいし、もしくはその所望される幅に切断されるか、または延伸方向に沿って分割されてもよい。好ましくは、単層は切れ目のないテープから製造される。このように製造された一方向性テープの幅は、テープを製造するフィルムの幅によって制限されるだけである。テープの幅は、好ましくは2mmよりも大きく、より好ましくは5mmよりも大きく、そして最も好ましくは30mmよりも大きい。テープまたは単層の面密度は、広い範囲にわたって、例えば5〜200g/m2の間で変わり得る。好ましい面密度は10〜120g/m2の間であり、より好ましくは15〜80g/m2の間であり、そして最も好ましくは20〜60g/m2の間である。 The resulting stretched tape may itself be used to produce a single layer, or it may be cut to its desired width or divided along the stretch direction. Preferably, the single layer is made from a continuous tape. The width of the unidirectional tape thus produced is only limited by the width of the film from which the tape is produced. The width of the tape is preferably greater than 2 mm, more preferably greater than 5 mm, and most preferably greater than 30 mm. The areal density of the tapes or single layer over a wide range may vary for instance between 5 to 200 g / m 2. Preferred areal density is between 10~120g / m 2, more preferably between 15 to 80 g / m 2, and most preferably between 20 to 60 g / m 2.
本発明に従うもう1つの特に好ましい多層材料シートは、織物構造を形成するように位置合わせされた複数の延伸ポリマーの一方向性テープで構成された少なくとも1つの単層、好ましくはすべての単層を含む。このようなテープは、繊維(通常は繊維において行われる)の代わりに延伸ポリマーの小さいストリップを織る、編むなどの紡織技法を適用することによって製造することができる。この実施形態では、ストリップが交差点において部分的に重なり合うところでポリマーストリップは厚さの増加した領域を有するが、厚さの増加した領域は長手方向縁部に沿っておよび隣接して延在するのではなく、一方向性テープの長手方向縁部を横断する。各テープ(小さいストリップの織布)は、同一方向に位置合わせされた隣接するテープ間に重なりが生じないように位置決めされる。異なる単層内の継ぎ目線が互いに関して互い違いになるようにテープを積み重ねることによって、防弾特性はさらに改善される。 Another particularly preferred multilayer material sheet according to the present invention comprises at least one monolayer, preferably all monolayers, composed of unidirectional tapes of a plurality of stretched polymers aligned to form a woven structure. Including. Such tapes can be produced by applying textile techniques such as weaving, knitting, etc. instead of fibers (usually done in fibers) of small strips of drawn polymer. In this embodiment, the polymer strip has an increased thickness area where the strips partially overlap at the intersection, but the increased thickness area does not extend along and adjacent to the longitudinal edge. Rather, traverse the longitudinal edge of the unidirectional tape. Each tape (small strip of woven fabric) is positioned so that there is no overlap between adjacent tapes aligned in the same direction. The ballistic properties are further improved by stacking the tapes so that the seam lines in different single layers are staggered with respect to each other.
いくつかの実施形態では、一方向性シートの取り扱いおよび製造中に単層の構造が保持されるように、単層は、複数の一方向性テープを結合および安定化するために局所的に適用されたバインダーを含むことができる。適切なバインダーは、例えば、EP0191306B1号明細書、EP1170925A1号明細書、EP0683374B1号明細書およびEP1144740A1号明細書に記載されている。バインダーは、例えば横断方向の結合ストリップ(一方向性テープに関して横断する)のように、様々な形態および方法で適用され得る。単層の形成中のバインダーの適用はテープを有利に安定化し、従って隣接するテープ間の重なりを回避しながらより高速の製造サイクルの達成を可能にする。 In some embodiments, the single layer is applied locally to bond and stabilize multiple unidirectional tapes so that the single layer structure is maintained during handling and manufacturing of the unidirectional sheet. Can be included. Suitable binders are described, for example, in EP0191306B1, EP1170925A1, EP0683374B1 and EP1144740A1. The binder can be applied in a variety of forms and methods, for example, transverse binding strips (transverse with respect to the unidirectional tape). The application of the binder during the formation of a single layer advantageously stabilizes the tape, thus allowing for faster production cycles to be achieved while avoiding overlap between adjacent tapes.
1つの実施形態では、バインダーは、隣接する一方向性テープがその長手方向縁部に沿って固定的に当接するように適用される。バインダーの役割は、一方向性シートの取り扱いおよび製造中に複数の一方向性テープを一時的に保持および安定化することなので、バインダーの局所的な適用が好ましい。バインダーの局所適用は、長手方向縁部のごく近傍に限られた適用であり、間欠的な局所的適用(長手方向縁部に沿ったスポット適用)を含み得る。 In one embodiment, the binder is applied such that adjacent unidirectional tapes abut against each other along their longitudinal edges. Since the role of the binder is to temporarily hold and stabilize multiple unidirectional tapes during handling and manufacture of the unidirectional sheet, local application of the binder is preferred. The topical application of the binder is an application limited to the immediate vicinity of the longitudinal edge and may include intermittent topical application (spot application along the longitudinal edge).
好ましくは、バインダーの適用によって、単層を形成する一方向性テープの平均厚さの150%である単層の厚さの最大増加(隆起した縁部)がもたらされる。より好ましくは、バインダーの適用によって、単層を形成する複数の一方向性テープの平均厚さの120%、110%または105%である厚さの最大増加がもたらされる。もう1つの実施形態では、バインダーの適用によって、4ミクロン未満、より好ましくは3、2または1ミクロン未満である一方向性テープの長手方向縁部に隣接する単層の厚さの増大がもたらされる。 Preferably, the application of the binder results in a maximum increase in monolayer thickness (raised edge) that is 150% of the average thickness of the unidirectional tape forming the monolayer. More preferably, the application of the binder results in a maximum increase in thickness that is 120%, 110% or 105% of the average thickness of a plurality of unidirectional tapes forming a single layer. In another embodiment, the application of the binder results in an increase in the thickness of the monolayer adjacent to the longitudinal edge of the unidirectional tape that is less than 4 microns, more preferably less than 3, 2 or 1 micron. .
バインダーの間欠的な局所適用を伴う実施形態では、バインダーを含む長手方向縁部の割合は、好ましくは、50%、30%、20%、10%、5%または2%未満である。同様に、バインダーの適用のために増加される一方向性テープの長手方向縁部(または長手方向縁部に隣接する領域)の割合は、好ましくは、50%、30%、20%、10%、5%または2%未満である。好ましくは、バインダーは、単層または圧密化スタックの重量の20%、10%、5%、2%、1%、0.5%、または0.2%未満を含む。 In embodiments involving intermittent topical application of the binder, the percentage of the longitudinal edge comprising the binder is preferably less than 50%, 30%, 20%, 10%, 5% or 2%. Similarly, the percentage of the longitudinal edge (or area adjacent to the longitudinal edge) of the unidirectional tape that is increased due to the application of the binder is preferably 50%, 30%, 20%, 10% Less than 5% or 2%. Preferably, the binder comprises less than 20%, 10%, 5%, 2%, 1%, 0.5%, or 0.2% of the weight of the single layer or consolidated stack.
代替の実施形態では、隣接する一方向性テープの長手方向縁部の部分を間欠的に一緒に融合するために超音波溶接などの結合手段が使用され得る。 In an alternative embodiment, a coupling means such as ultrasonic welding may be used to intermittently fuse together the longitudinal edge portions of adjacent unidirectional tapes.
単層内の隣接する一方向性テープを隣接の長手方向縁部に沿って間欠的に結合させると、隣接する一方向性テープは平行な配列に保持される。バインダーの適用によって、隣接する一方向性テープは、隣接の長手方向縁部が実質的に重なり合うことなく極めて接近できるようになる。単層の厚さの局所的な変化は有利に低減され(長手方向縁部が重なり合うか、あるいは高分子結合ストリップが連続的に重なり合う従来の単層と比較して)、結果として得られる、より均質な厚さ、従って応力分布を有する単層の圧密化スタックに寄与する。 When adjacent unidirectional tapes in a single layer are joined intermittently along adjacent longitudinal edges, the adjacent unidirectional tapes are held in a parallel array. The application of the binder allows adjacent unidirectional tapes to be in close proximity without substantial overlap of adjacent longitudinal edges. Local variations in monolayer thickness are advantageously reduced (compared to conventional monolayers where longitudinal edges overlap or polymer bonded strips overlap continuously), resulting in more Contributes to a single-layer consolidated stack having a uniform thickness and thus a stress distribution.
多層材料シートの単層またはテープの厚さは、原則として、広い範囲内で選択することができる。しかしながら好ましくは、本発明に従う多層材料シートは、少なくとも1つの単層の厚さが120μmを超えず、より好ましくは50μmを超えず、そして最も好ましくは5〜29μmの間であることを特徴とする。スタックの全ての単層の厚さが120μmを超えなければ、より好ましくは50μmを超えなければ、そして最も好ましくは3〜29μmの間であれば、特に良好な防弾特性が達成される。本発明に従うさらに好ましい多層材料シートは、少なくとも1つの単層の厚さが10μmよりも大きく、そして50μmを超えない、好ましくは100μmを超えない、またはより好ましくは120μmを超えないことを特徴とする。 The thickness of the single layer or the tape of the multilayer material sheet can in principle be selected within a wide range. Preferably, however, the multilayer material sheet according to the invention is characterized in that the thickness of the at least one monolayer does not exceed 120 μm, more preferably does not exceed 50 μm and most preferably is between 5 and 29 μm. . Particularly good ballistic properties are achieved if the thickness of all monolayers of the stack does not exceed 120 μm, more preferably does not exceed 50 μm, and most preferably is between 3 and 29 μm. Further preferred multilayer material sheets according to the invention are characterized in that the thickness of at least one monolayer is greater than 10 μm and does not exceed 50 μm, preferably does not exceed 100 μm or more preferably does not exceed 120 μm. .
スタック内の単層の少なくとも1つの厚さを特許請求される厚さに制限することによって、単層がかなり限られた強度を有する場合でも、驚くことに十分な防弾特性が達成される。 By limiting the thickness of at least one monolayer in the stack to the claimed thickness, surprisingly sufficient ballistic properties are achieved even if the monolayer has a fairly limited strength.
多層材料シート内のテープの強度は、テープを製造するポリマーおよびその(一軸)伸長比に大きく依存する。テープ(および単層)の強度は少なくとも0.75GPa、好ましくは少なくとも0.9GPa、より好ましくは少なくとも1.2GPa、さらにより好ましくは少なくとも1.5GPa、さらにより好ましくは少なくとも1.8GPa、そしてさらにより好ましくは少なくとも2.1GPa、そして最も好ましくは少なくとも3GPaである。一方向性単層は好ましくは互いに十分に相互接続されており、これは、一方向性単層が例えば室温などの通常の使用条件下で剥離しないことを意味する。 The strength of the tape in the multilayer material sheet is highly dependent on the polymer from which the tape is made and its (uniaxial) stretch ratio. The strength of the tape (and monolayer) is at least 0.75 GPa, preferably at least 0.9 GPa, more preferably at least 1.2 GPa, even more preferably at least 1.5 GPa, even more preferably at least 1.8 GPa, and even more Preferably it is at least 2.1 GPa, and most preferably at least 3 GPa. The unidirectional monolayers are preferably sufficiently interconnected with each other, meaning that the unidirectional monolayers do not delaminate under normal use conditions such as room temperature.
本発明に従う多層材料シートは、好ましくは少なくとも2つの一方向性単層、好ましくは少なくとも4つの一方向性単層、より好ましくは少なくとも6つの一方向性単層、さらにより好ましくは少なくとも8つの一方向性単層、そして最も好ましくは少なくとも10の一方向性単層を含む。本発明の多層材料シート内の一方向性単層の数が増大すると、これらの材料シートからの物品(例えば、防弾板)の製造が簡略化される。 The multilayer material sheet according to the present invention preferably has at least 2 unidirectional monolayers, preferably at least 4 unidirectional monolayers, more preferably at least 6 unidirectional monolayers, even more preferably at least 8 It includes directional monolayers, and most preferably at least 10 unidirectional monolayers. Increasing the number of unidirectional monolayers in the multilayer material sheets of the present invention simplifies the manufacture of articles (eg, bulletproof plates) from these material sheets.
本発明の1つの実施形態では、
(a)第1の少なくとも1つの延伸ポリマーの一方向性テープを移動基材上に位置決めし、それにより第1の単層を形成するステップであって、少なくとも1つの一方向性テープの長手方向縁部の実質的な長さに隣接しておよびそれに沿って、単層が厚さの増加した領域を含まないステップと、
(b)第1の単層を移動基材上に保持するステップと、
(c)第2の少なくとも1つの延伸ポリマーの一方向性テープを第1の単層上に位置決めし、それにより第2の単層を形成するステップであって、第2の単層の方向が第1の単層の方向に対して角度αを成すステップと、
(d)このようにして形成されたスタックを圧縮して、その単層を圧密化するステップと
を含む多層材料シートの調製方法が提供される。単層の圧密化スタックは、好ましくは単層のそれぞれにおいて少なくとも1つの一方向性テープの長手方向縁部に沿っておよび隣接して厚さの増加した領域が低減しているかまたは存在しないために、従来技術と比較してより均質な厚さ/面密度を有する。
In one embodiment of the invention,
(A) positioning a first at least one stretched polymer unidirectional tape on a moving substrate, thereby forming a first monolayer, the longitudinal direction of the at least one unidirectional tape; Adjacent to and along the substantial length of the edge, the monolayer does not include an area of increased thickness;
(B) holding the first monolayer on the moving substrate;
(C) positioning a second at least one stretched polymer unidirectional tape on the first monolayer, thereby forming a second monolayer, wherein the direction of the second monolayer is Forming an angle α with respect to the direction of the first monolayer;
(D) compressing the stack thus formed to consolidate the monolayer, a method of preparing a multilayer material sheet is provided. The single layer consolidated stack is preferably because there is reduced or no increased thickness area along and adjacent to the longitudinal edge of at least one unidirectional tape in each of the single layers. It has a more uniform thickness / area density compared to the prior art.
本発明の好ましい実施形態では、特許請求されるタイプの多層材料シートの調製方法が提供される。本発明に従う方法は、
(a)各テープが隣接するテープに対して平行に配向されるように位置合わせされた複数の延伸ポリマーテープを提供するステップであって、隣接するテープが実質的に重なり合わないステップと、
(b)複数の延伸ポリマーテープを移動基材上に位置決めし、それにより第1の単層を形成するステップと、
(c)第1の単層を移動基材上に保持するステップと、
(d)複数の延伸ポリマーテープを第1の単層上に位置決めし、それにより第2の単層を形成するステップであって、第2の単層の方向が第1の単層の方向に対して角度αを成すステップと、
(e)このようにして形成されたスタックを圧縮して、その単層を圧密化するステップと
を含む。ステップ(a)は、任意で、製造速度の増大が達成可能であるように、隣接するテープを保持または安定化するためのバインダーまたは結合手段の適用を含むことができる。特許請求される方法を用いて、重なり合う領域、すなわち面密度の増大した領域が実質的にない多層材料シートを容易に製造することができる。こうして製造された材料シートは、重なりの領域を有する材料シートに関して改善された防弾特性を有する。
In a preferred embodiment of the present invention, a method for preparing a multilayer material sheet of the claimed type is provided. The method according to the invention comprises:
(A) providing a plurality of stretched polymer tapes aligned such that each tape is oriented parallel to an adjacent tape, the adjacent tapes being substantially non-overlapping;
(B) positioning a plurality of stretched polymer tapes on the moving substrate, thereby forming a first monolayer;
(C) holding the first monolayer on the moving substrate;
(D) positioning a plurality of stretched polymer tapes on the first monolayer, thereby forming a second monolayer, wherein the direction of the second monolayer is in the direction of the first monolayer A step of forming an angle α with respect to
(E) compressing the stack thus formed to consolidate the monolayer. Step (a) can optionally include the application of a binder or bonding means to hold or stabilize adjacent tapes so that increased production rates can be achieved. Using the claimed method, a multi-layer material sheet can be readily produced that is substantially free of overlapping regions, i.e., areas of increased areal density. The material sheets thus produced have improved ballistic properties with respect to material sheets having overlapping areas.
好ましくは、複数の延伸ポリマーテープは巻き戻しステーションから巻き戻され、ステップ(d)は、複数の延伸ポリマーテープを少なくとも部分的にそれ自体の上に折り畳むことによって実施される。より好ましくは、複数の延伸ポリマーテープは、第1の単層が基材の移動方向に対して角度βを形成するように位置決めされ、折り畳みは、折り目が基材の移動方向にほぼ平行に延在するように行われる。本発明に従う方法はさらに、角度βが40〜50度の間であり、最も好ましくは角度βが約45度であることを特徴とする。 Preferably, the plurality of stretched polymer tapes are unwound from the rewind station, and step (d) is performed by folding the plurality of stretched polymer tapes at least partially on itself. More preferably, the plurality of stretched polymer tapes are positioned such that the first monolayer forms an angle β with respect to the direction of substrate movement, and the fold extends substantially parallel to the direction of movement of the substrate. To be done. The method according to the invention is further characterized in that the angle β is between 40 and 50 degrees, most preferably the angle β is about 45 degrees.
本発明に従うもう1つの好ましい方法は、第2の単層が少なくとも部分的に第1の単層に接着されることを特徴とする。これは、例えば超音波溶接、低融点フィルムの付加、接着剤、または層を一緒に結合する任意の他の方法によって容易に達成され得る。第2の単層の第1の単層への接着性は、好ましくは、別のテープおよび/または単層の実質的な相対移動なしに単層のアセンブリの運搬を可能にするように十分に強力である。 Another preferred method according to the invention is characterized in that the second monolayer is at least partly bonded to the first monolayer. This can be easily accomplished, for example, by ultrasonic welding, the addition of a low melting film, an adhesive, or any other method of bonding layers together. The adhesion of the second monolayer to the first monolayer is preferably sufficient to allow transport of the monolayer assembly without substantial relative movement of another tape and / or monolayer. Powerful.
本発明の方法によると、スタック内の2つの連続した単層の延伸方向がαの角度だけ異なる多層材料シートが製造される。折り目が基材の移動方向にほぼ平行に延在する好ましい方法のためには、角度α=2βである。角度αは広い範囲内で選択することができるが、角度αは好ましくは45〜135°の間であり、より好ましくは65〜115°の間であり、そして最も好ましくは80〜100°の間である。後者の好ましい範囲において、特に好ましい角度αは約90°である。この好ましい実施形態に従って製造される材料は、当該技術分野では、クロスプライ(cross−ply)で示される。 According to the method of the present invention, a multilayer material sheet is produced in which the stretching directions of two consecutive monolayers in the stack differ by an angle α. For the preferred method in which the crease extends approximately parallel to the direction of movement of the substrate, the angle α = 2β. Although the angle α can be selected within a wide range, the angle α is preferably between 45 and 135 °, more preferably between 65 and 115 °, and most preferably between 80 and 100 °. It is. In the latter preferred range, a particularly preferred angle α is about 90 °. The material produced according to this preferred embodiment is indicated in the art as a cross-ply.
本発明に従う多層材料シートは、ベストまたは装甲板などの耐弾性物品の製造において特に有用である。弾道用途は、防弾物を貫くいわゆるAP弾および硬質粒子(例えば、破片および榴散弾など)を含むいくつかの種類の発射体に対して弾道脅威を有する用途を含む。 The multilayer material sheet according to the invention is particularly useful in the production of ballistic resistant articles such as vests or armor plates. Ballistic applications include applications that have ballistic threats to several types of projectiles, including so-called AP bullets and hard particles (eg, debris and shrapnel) that penetrate bulletproof objects.
本発明に従う耐弾性物品は、少なくとも2つの一方向性単層、好ましくは少なくとも10の一方向性単層、より好ましくは少なくとも20の一方向性単層、さらにより好ましくは少なくとも30の一方向性単層、そして最も好ましくは少なくとも40の一方向性単層を含む。スタック内の2つの連続した単層の延伸方向はαの角度だけ異なる。角度αは、好ましくは45〜135°の間であり、より好ましくは65〜115°の間であり、そして最も好ましくは80〜100°の間である。 The ballistic resistant article according to the invention comprises at least two unidirectional monolayers, preferably at least 10 unidirectional monolayers, more preferably at least 20 unidirectional monolayers, even more preferably at least 30 unidirectional. Single layers, and most preferably at least 40 unidirectional monolayers. The stretching direction of two consecutive monolayers in the stack differs by an angle α. The angle α is preferably between 45 and 135 °, more preferably between 65 and 115 °, and most preferably between 80 and 100 °.
好ましくは、本発明に従う耐弾性物品は、セラミック、金属(好ましくは、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、クロムおよび鉄)またはこれらの合金、ガラス、黒鉛、もしくはこれらの組み合わせからなる群から選択される無機材料のさらなるシートを含む。特に好ましいのは金属である。このような場合、金属シート中の金属は、好ましくは、少なくとも350℃、より好ましくは少なくとも500℃、最も好ましくは少なくとも600℃の融点を有する。適切な金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、ニッケル、クロム、ベリリウム、鉄および銅が挙げられ、例えば鋼およびステンレス鋼およびアルミニウムとマグネシウムとの合金(いわゆるアルミニウム5000シリーズ)、およびアルミニウムと亜鉛およびマグネシウムまたは亜鉛、マグネシウムおよび銅との合金(いわゆるアルミニウム7000シリーズ)のようなこれらの合金が含まれる。前記合金において、例えばアルミニウム、マグネシウム、チタンおよび鉄の量は、好ましくは、少なくとも50重量%である。好ましい金属シートは、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、クロム、ベリリウム、鉄(これらの合金も含む)を含む。より好ましくは、金属シートはアルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、クロム、鉄およびこれらの合金に基づく。この結果、良好な耐久性を有する軽量の防弾性物品がもたらされる。さらにより好ましくは、金属シート中の鉄およびその合金は、少なくとも500のブリネル硬度を有する。最も好ましくは、金属シートは、アルミニウム、マグネシウム、チタン、およびこれらの合金に基づく。この結果、最高の耐久性を有する最軽量の防弾性物品がもたらされる。本出願における耐久性は、熱、水分、光および紫外線放射へさらされる条件下での複合体の寿命を意味する。さらなる材料シートは単層スタック内のどこにでも位置決めすることができるが、好ましい耐弾性物品は、さらなる材料シートが単層スタックの外側、最も好ましくは少なくともその衝突面に位置決めされることを特徴とする。 Preferably, the ballistic resistant article according to the present invention is selected from the group consisting of ceramic, metal (preferably aluminum, magnesium, titanium, nickel, chromium and iron) or alloys thereof, glass, graphite, or combinations thereof. Including additional sheets of inorganic material. Particularly preferred is a metal. In such cases, the metal in the metal sheet preferably has a melting point of at least 350 ° C, more preferably at least 500 ° C, and most preferably at least 600 ° C. Suitable metals include aluminum, magnesium, titanium, copper, nickel, chromium, beryllium, iron and copper, such as steel and stainless steel and alloys of aluminum and magnesium (so-called aluminum 5000 series), and aluminum and zinc. And alloys thereof such as magnesium or alloys with zinc, magnesium and copper (so-called aluminum 7000 series). In the alloy, for example, the amount of aluminum, magnesium, titanium and iron is preferably at least 50% by weight. Preferred metal sheets include aluminum, magnesium, titanium, nickel, chromium, beryllium, iron (including these alloys). More preferably, the metal sheet is based on aluminum, magnesium, titanium, nickel, chromium, iron and alloys thereof. This results in a light weight ballistic article with good durability. Even more preferably, the iron and its alloys in the metal sheet have a Brinell hardness of at least 500. Most preferably, the metal sheet is based on aluminum, magnesium, titanium, and alloys thereof. This results in the lightest ballistic resistant article with the highest durability. Durability in this application refers to the lifetime of the composite under conditions exposed to heat, moisture, light and ultraviolet radiation. Although the further material sheet can be positioned anywhere in the single layer stack, the preferred resilient article is characterized in that the additional material sheet is positioned outside the single layer stack, most preferably at least on its impingement surface. .
本発明に従う耐弾性物品は、好ましくは、最大でも100mmの厚さを有する上記の無機材料のさらなるシートを含む。好ましくは、無機材料のさらなるシートの最大厚さは75mmであり、より好ましくは50mm、そして最も好ましくは25mmである。この結果、重量と防弾特性との間の最良のバランスがもたらされる。好ましくは、無機材料のさらなるシートが金属シートである場合、金属シートの厚さは少なくとも0.25mmであり、より好ましくは少なくとも0.5mm、そして最も好ましくは少なくとも0.75mmである。この結果、さらにより良好な防弾性能が得られる。 The ballistic resistant article according to the invention preferably comprises a further sheet of the above-mentioned inorganic material having a thickness of at most 100 mm. Preferably, the maximum thickness of the further sheet of inorganic material is 75 mm, more preferably 50 mm, and most preferably 25 mm. This results in the best balance between weight and ballistic properties. Preferably, when the further sheet of inorganic material is a metal sheet, the thickness of the metal sheet is at least 0.25 mm, more preferably at least 0.5 mm, and most preferably at least 0.75 mm. As a result, even better bulletproof performance can be obtained.
無機材料の更なるシートは、任意で、多層材料シートとの接着性を改善するために前処理されてもよい。さらなるシートの適切な前処理には、機械的処理、例えば研磨または研削によるその表面の粗化または清浄化、例えば硝酸による化学エッチング、およびポリエチレンフィルムとの積層が含まれる。 Additional sheets of inorganic material may optionally be pretreated to improve adhesion with the multilayer material sheet. Appropriate pretreatment of the further sheets includes mechanical treatment, such as roughening or cleaning of its surface by polishing or grinding, for example chemical etching with nitric acid, and lamination with polyethylene film.
耐弾性物品のもう1つの実施形態では、さらなるシートと多層材料シートとの間に、結合層、例えば接着剤が適用されてもよい。このような接着剤は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂またはビニルエステル樹脂を含むことができる。もう1つの好ましい実施形態では、結合層はさらに、無機繊維、例えばガラス繊維または炭素繊維の織層または不織層を含むことができる。また、例えばスクリュー、ボルトおよびスナップフィットなどの機械的手段によって、さらなるシートを多層材料シートに付着させることも可能である。本発明に従う耐弾性物品が、AP弾、断片または簡易爆発物に対する脅威に遭遇し得る弾道用途において使用される場合、さらなるシートは、好ましくは、セラミック層で被覆された金属シートを含む。このようにして、以下の層状構造:セラミック層/金属シート/少なくとも2枚の一方向性シート(一方向性シートの繊維の方向は隣接する一方向性シートの繊維の方向に対して角度αである)を有する防弾性物品が得られる。適切なセラミック材料としては、例えば、アルミナ酸化物、酸化チタン、酸化ケイ素、炭化ケイ素および炭化ホウ素が挙げられる。セラミック層の厚さは弾道脅威のレベルに依存するが、通常2mm〜30mmの間で異なる。この耐弾性物品は、好ましくは、セラミック層が弾道脅威に直面するように位置決めされる。 In another embodiment of the ballistic resistant article, a tie layer, such as an adhesive, may be applied between the further sheet and the multilayer material sheet. Such adhesives can include epoxy resins, polyester resins, polyurethane resins, or vinyl ester resins. In another preferred embodiment, the tie layer can further comprise a woven or non-woven layer of inorganic fibers, such as glass fibers or carbon fibers. It is also possible to attach further sheets to the multilayer material sheet by mechanical means such as screws, bolts and snap fits. If the ballistic resistant article according to the invention is used in ballistic applications where a threat to AP bullets, fragments or simple explosives can be encountered, the further sheet preferably comprises a metal sheet coated with a ceramic layer. In this way, the following layered structure: ceramic layer / metal sheet / at least two unidirectional sheets (the direction of the fibers of the unidirectional sheet is at an angle α to the direction of the fibers of the adjacent unidirectional sheet There is obtained an anti-ballistic article. Suitable ceramic materials include, for example, alumina oxide, titanium oxide, silicon oxide, silicon carbide and boron carbide. The thickness of the ceramic layer depends on the level of ballistic threat but usually varies between 2 mm and 30 mm. This ballistic resistant article is preferably positioned so that the ceramic layer faces a ballistic threat.
本発明の1つの実施形態では、
(a)少なくとも2つの一方向性延伸ポリマー単層と、セラミック、鋼、アルミニウム、チタン、ガラスおよび黒鉛、またはこれらの組み合わせからなる群から選択される材料のシートとを積み重ねるステップであって、各単層が少なくとも1つの一方向性テープを含み、スタック内の2つの連続した単層の延伸方向が異なり、少なくとも1つの一方向性テープの長手方向縁部の実質的な長さに隣接しておよびそれに沿って、少なくとも1つの単層が厚さの増加した領域を含まないステップと、
(b)積み重ねたシートを温度および圧力をかけて圧密化するステップと
を含む耐弾性物品の製造方法が提供される。
In one embodiment of the invention,
(A) stacking at least two unidirectionally stretched polymer monolayers and sheets of material selected from the group consisting of ceramic, steel, aluminum, titanium, glass and graphite, or combinations thereof, each A single layer includes at least one unidirectional tape, two continuous single layers in a stack have different stretching directions, and are adjacent to a substantial length of a longitudinal edge of at least one unidirectional tape. And along which, at least one monolayer does not include an area of increased thickness;
(B) A method for producing an elastic-resistant article including the step of consolidating the stacked sheets by applying temperature and pressure.
本発明の好ましい実施形態では、
(a)少なくとも2つの一方向性延伸ポリマー単層と、セラミック、鋼、アルミニウム、チタン、ガラスおよび黒鉛、またはこれらの組み合わせからなる群から選択される無機材料のさらなるシートとを積み重ねるステップであって、スタック内の2つの連続した単層の延伸方向が異なり、少なくとも1つの単層、そして好ましくは全ての単層が、同一方向に位置合わせされた複数の延伸ポリマーの一方向性テープを含み、隣接するテープが重なり合わないステップと、
(b)積み重ねたシートを温度および圧力をかけて圧密化するステップと
を含む耐弾性物品の製造方法が提供される。
In a preferred embodiment of the present invention,
(A) stacking at least two unidirectionally stretched polymer monolayers and further sheets of inorganic material selected from the group consisting of ceramic, steel, aluminum, titanium, glass and graphite, or combinations thereof, , Two continuous monolayers in the stack have different stretch directions, at least one monolayer, and preferably all monolayers comprise unidirectional tapes of a plurality of stretched polymers aligned in the same direction; A step where adjacent tapes do not overlap;
(B) A method for producing an elastic-resistant article including the step of consolidating the stacked sheets by applying temperature and pressure.
代替方法では、少なくとも2つの一方向性延伸ポリマー単層のスタックは、上記で記載されたような別の過程で製造されている。次に、この予め製造されたスタックは、該方法のステップ(a)において、セラミック、鋼、アルミニウム、チタン、ガラスおよび黒鉛、またはこれらの組み合わせからなる群から選択される材料のさらなるシートと結合される。 In an alternative method, a stack of at least two unidirectionally oriented polymer monolayers has been produced in a separate process as described above. This prefabricated stack is then combined with a further sheet of material selected from the group consisting of ceramic, steel, aluminum, titanium, glass and graphite, or combinations thereof in step (a) of the method. The
上記の全ての方法の圧密化は、水圧プレスにおいて適切に行うことができる。圧密化は、単層が互いに比較的堅固に付着されて1つの単位を形成することを意味するように意図される。圧密化中の温度は、通常、プレスの温度によって調節される。最低温度は、通常、圧密化の妥当な速度が得られるように選択される。この点において、80℃が適切な下限の温度であり、好ましくはこの下限は少なくとも100℃、より好ましくは少なくとも120℃、最も好ましくは少なくとも140℃である。最高温度は、延伸ポリマー単層が例えば融解のためにその高い機械特性を失う温度よりも低く選択される。好ましくは、温度は、延伸ポリマー単層の融解温度よりも少なくとも10℃低く、好ましくは少なくとも15℃低く、そしてさらにより好ましくは少なくとも20℃低い。延伸ポリマー単層が明確な融解温度を示さない場合、延伸ポリマー単層がその機械特性を失い始める温度が融解温度の代わりに読み取られるべきである。好ましい超高分子量ポリエチレンの場合、通常、145℃よりも低い温度が選択されるであろう。圧密化中の圧力は、好ましくは、少なくとも7MPaであり、より好ましくは少なくとも15MPa、さらにより好ましくは少なくとも20MPa、そして最も好ましくは少なくとも35MPaである。このようにして、剛性の防弾性物品が得られる。圧密化のための最適な時間は、通常、温度、圧力および部品の厚さなどの条件に応じて5〜120分の範囲であり、日常的な実験によって確認することができる。湾曲した防弾性物品が製造される場合、まずさらなる材料シートを所望の形状に予備成形してから、単層および/または多層材料シートと共に圧密化することが有利であり得る。 Consolidation of all the above methods can be suitably performed in a hydraulic press. Consolidation is intended to mean that the monolayers are relatively firmly attached to each other to form a unit. The temperature during consolidation is usually controlled by the temperature of the press. The minimum temperature is usually selected to obtain a reasonable rate of consolidation. In this regard, 80 ° C. is a suitable lower temperature, preferably the lower limit is at least 100 ° C., more preferably at least 120 ° C., and most preferably at least 140 ° C. The maximum temperature is selected below the temperature at which the stretched polymer monolayer loses its high mechanical properties, for example due to melting. Preferably, the temperature is at least 10 ° C., preferably at least 15 ° C., and even more preferably at least 20 ° C. lower than the melting temperature of the stretched polymer monolayer. If the stretched polymer monolayer does not exhibit a clear melting temperature, the temperature at which the stretched polymer monolayer begins to lose its mechanical properties should be read instead of the melting temperature. For the preferred ultra high molecular weight polyethylene, a temperature lower than 145 ° C will usually be selected. The pressure during consolidation is preferably at least 7 MPa, more preferably at least 15 MPa, even more preferably at least 20 MPa, and most preferably at least 35 MPa. In this way, a rigid ballistic article is obtained. The optimum time for consolidation is usually in the range of 5 to 120 minutes depending on conditions such as temperature, pressure and part thickness and can be confirmed by routine experimentation. If a curved antiballistic article is produced, it may be advantageous to first pre-form additional material sheets into the desired shape and then compact with single and / or multilayer material sheets.
好ましくは、高い耐弾性を達成するために、高温での圧縮成形の後に、同様に圧力下で冷却が行われる。圧力は、好ましくは、少なくとも温度が緩和を防止するのに十分低くなるまで保持される。この温度は、当業者によって規定することができる。超高分子量ポリエチレンの単層を含む耐弾性物品が製造される場合、典型的な圧縮温度は90〜150℃、好ましくは115〜130℃の範囲である。典型的な圧縮圧力は100〜300バール、好ましくは100〜180バール、より好ましくは120〜160バールの間の範囲であり、圧縮時間は通常40〜180分の間である。 Preferably, in order to achieve high resilience, cooling is performed under pressure as well after compression molding at high temperature. The pressure is preferably maintained at least until the temperature is sufficiently low to prevent relaxation. This temperature can be defined by one skilled in the art. When an elastic resistant article comprising a single layer of ultra high molecular weight polyethylene is produced, the typical compression temperature is in the range of 90-150 ° C, preferably 115-130 ° C. Typical compression pressures range from 100 to 300 bar, preferably from 100 to 180 bar, more preferably from 120 to 160 bar, and the compression time is usually between 40 and 180 minutes.
本発明の多層材料シートおよび防弾性物品は、著しく低重量で既知の物品と少なくとも同じレベルの保護を提供し、あるいは既知の物品と比べて同等の重量では改善された弾道性能を提供するので、これまでに知られている防弾性材料以上に特に有利である。出発材料は安価であり、そして製造方法は比較的簡潔であり、従って費用効果が高い。本発明の多層材料シートを製造するために種々のポリマーを使用することができるので、特定の用途に従って特性を最適化することができる。耐弾性以外に、特性には、例えば熱安定性、貯蔵寿命、耐変形性、他の材料シートへの結合能力、成形性などが含まれる。 The multilayer material sheets and ballistic resistant articles of the present invention provide at least the same level of protection as known articles at significantly lower weight, or provide improved ballistic performance at comparable weights compared to known articles, This is particularly advantageous over previously known ballistic materials. The starting materials are cheap and the manufacturing process is relatively simple and therefore cost effective. Since various polymers can be used to produce the multilayer material sheet of the present invention, properties can be optimized according to the particular application. In addition to elasticity resistance, properties include, for example, thermal stability, shelf life, deformation resistance, ability to bond to other material sheets, formability, and the like.
本発明は、以下の図1〜4によってこれからさらに説明されるであろう(しかしながら、これらに限定されない)。 The present invention will now be further illustrated by the following FIGS. 1-4 (but is not limited thereto).
図1を参照すると、特許請求されるタイプの多層材料シートを製造するための装置1が示されている。装置は、複数の延伸ポリマーテープ10を提供するための手段2を含む。手段2は、例えばポリマーテープ10のロールのための巻き戻しステーションを含むことができる。ポリマーテープ10は、各テープ10が隣接するテープ10に対して平行に配向されるように位置合わせされる。装置1はさらに、実施形態ではベルトで示され、2つの円筒ロール4によって駆動される移動基材3を含む。ベルト3は矢印で示される方向に速度V3で移動可能である。複数のテープ10は、テープ10に一組のニップローラ(5a、5b)を通過させることによって基材3上に位置決めされる。複数のテープ10は、保持手段によって、例えば基材3を穿孔し、基材3の下のポンプ7によって真空下に置くことができる空間6を提供することによって基材3上に保持される。移動可能な基材3の後方には、2つの加熱表面(21、22)を含み、円筒ロール23によって駆動されるベルトプレス20が位置決めされる。
Referring to FIG. 1, an apparatus 1 for producing a multilayer material sheet of the claimed type is shown. The apparatus includes means 2 for providing a plurality of stretched
本発明に従う方法は、巻き戻しステーション2から複数の一軸延伸ポリマーテープ10を速度V1で巻き戻すことを含む。テープ10は、隣接するテープが実質的に重なり合わないように位置決めされ、隣接するテープ間には実質的に間隙が存在しない(通常2mm未満)。次に、テープ10は一組のニップローラ(5a、5b)を通って供給される。図1に示されるように、巻き戻し機2および一組のニップローラ(5a、5b)のアセンブリは速度V2で基材3を横断方向に上下に横切る。真空ベルト基材3は、横断方向と本質的に垂直な方向に速度V3で移動する。V2とV3の間の比率は、複数のテープ10が基材3の移動方向に対して約45度の角度で移動基材3上に位置決めされるように選択され、それにより第1の単層が形成される。第1の単層は、真空手段(6、7)によって生じる吸引によって移動基材3上に保持される。巻き戻し機2が移動基材3の側面に到達したら、その移動方向は反転され、巻き戻し機2は反対方向に移動する。それにより、複数の延伸ポリマーテープ10は少なくとも部分的にそれ自体の上に折り畳まれる。さらに詳細には、複数の延伸ポリマーテープ10は、折り目が基材3の移動方向にほぼ平行に延在するように折り畳まれる。それにより、第2の単層は第1の単層上に位置決めされ、該第2の単層の方向は、第1の単層の方向に対して約90度の角度を成す。第1および第2の単層のアセンブリが別のテープおよび/または単層の相対移動なしに運搬され得ることを保証するために、テープの第2の単層は、少なくとも部分的に第1の単層に接着される。これを実行するための適切な手段には、超音波溶接、低融点フィルムの付加、接着剤、ホットメルト、または層を一緒に結合する任意の他の方法が含まれるが、これらに限定されない。
The method according to the invention comprises unwinding a plurality of uniaxially stretched
最後に、このようにして形成された単層のアセンブリは、多層材料シート最終の圧密化のためにベルトプレスまたはカレンダ20へ供給される。ベルトプレスまたはカレンダ20において、積み重ねられた複数のテープはテープの融点に近い温度で結合される。記載される実施形態では、得られる多層材料はテープから製造されたクロスプライ2層材料であり、テープの方向は基材3の移動方向に対して約45度の角度である。
Finally, the single layer assembly thus formed is fed to a belt press or
手段2における複数のテープ10の幅は、ベルトプレスまたはカレンダ番号20上に位置決めされるべき基材3上の多層材料の幅によって決定される。テープと基材3の移動方向との角度βが45℃である場合、複数のテープ10の幅は√2*多層材料の幅である。
The width of the plurality of
図2を参照すると、2つの延伸ポリマーの一方向性単層の圧密化スタックを含む本発明に従う多層材料シートのグラフィック表示が示されており、スタック内の2つの連続した単層の延伸方向は90°回転され、各単層は、同一方向に位置合わせされた複数の延伸ポリマーの一方向性テープを含み、隣接するテープは重なり合わない。明瞭にするために、個々のテープは多層材料シートの縁部において延出している。 Referring to FIG. 2, there is shown a graphic representation of a multilayer material sheet according to the present invention comprising a unidirectional single layer consolidated stack of two stretched polymers, wherein the stretch direction of two consecutive single layers in the stack is Rotated 90 °, each single layer includes a plurality of stretched polymer unidirectional tapes aligned in the same direction and adjacent tapes do not overlap. For clarity, individual tapes extend at the edges of the multilayer material sheet.
図3を参照すると、織物構造を形成するように位置合わせされた複数の延伸ポリマーの一方向性テープから単層が構成される本発明に従う単層のグラフィック表示が示されている。 Referring to FIG. 3, there is shown a single layer graphic representation in accordance with the present invention in which a single layer is constructed from unidirectional tapes of a plurality of stretched polymers aligned to form a woven structure.
図4を参照すると、番号1(実線)で示される図3の単層を、その下方の番号2(点線)で示される織テープの第2の単層と共に含む本発明に従う多層材料シートのグラフィック表示が示される。第2の単層は、それぞれの単層の継ぎ目線が互い違いに位置合わせされるように位置決めされる。 Referring to FIG. 4, a graphic of a multilayer material sheet according to the present invention comprising the single layer of FIG. 3 indicated by the number 1 (solid line) together with the second single layer of woven tape indicated by the number 2 (dashed line) below it. The display is shown. The second single layer is positioned such that the seam lines of each single layer are staggered.
本出願で言及される試験方法は以下の通りである。
・ 固有粘度(IV)は、方法PTC−179(Hercules Inc.Rev.、1982年4月29日)に従って、2g/l溶液の量の酸化防止剤としてのDBPCと共にデカリン中135℃で、異なる濃度で測定される粘度をゼロ濃度に外挿することによって決定される(溶解時間は16時間である)。
・ 引張特性(25℃で測定):引張強さ(または強度)、引張弾性率(またはモジュラス)および破断伸び(またはeab)は、500mmの繊維の公称ゲージ長、50%/分のクロスヘッド速度を用いて、ASTMD885Mにおいて規定されるマルチフィラメントヤーンにおいて定義および決定される。測定される応力−ひずみ曲線に基づいて、モジュラスは0.3〜1%の間でひずみを傾斜させて決定される。モジュラスおよび強度を計算するために、測定される引張力は、10メートルの繊維を秤量することによって決定される力価で除され、GPaの値は0.97g/cm3の密度を仮定して計算される。薄いフィルムの引張特性は、ISO1184(H)に従って測定した。
The test methods referred to in this application are as follows.
Intrinsic viscosity (IV) is a different concentration at 135 ° C. in decalin with DBPC as antioxidant in an amount of 2 g / l solution according to method PTC-179 (Hercules Inc. Rev., April 29, 1982). Is determined by extrapolating the viscosity measured at 0 to zero concentration (dissolution time is 16 hours).
Tensile properties (measured at 25 ° C.): Tensile strength (or strength), tensile modulus (or modulus) and elongation at break (or eab) are nominal gauge length of 500 mm fiber, 50% / min crosshead speed Are defined and determined in multifilament yarns as defined in ASTM D885M. Based on the measured stress-strain curve, the modulus is determined by ramping the strain between 0.3-1%. To calculate the modulus and strength, the measured tensile force is divided by the titer determined by weighing 10 meters of fiber, and the GPa value assumes a density of 0.97 g / cm 3. Calculated. The tensile properties of the thin film were measured according to ISO 1184 (H).
Claims (28)
(b)前記複数の延伸ポリマーテープを移動基材上に位置決めし、それにより第1の単層を形成するステップと、
(c)前記第1の単層を前記移動基材上に保持するステップと、
(d)複数の延伸ポリマーテープを第1の単層上に位置決めし、それにより第2の単層を形成するステップであって、前記第2の単層の方向が前記第1の単層の方向に対して角度αを成すステップと、
(e)このようにして形成されたスタックを圧縮して、その単層を圧密化するステップと
を含む請求項1〜13のいずれか一項に記載の多層材料シートの調製方法。 (A) providing a plurality of stretched polymer tapes aligned such that each tape is oriented parallel to an adjacent tape, wherein the adjacent tapes do not overlap;
(B) positioning the plurality of stretched polymer tapes on a moving substrate, thereby forming a first monolayer;
(C) holding the first monolayer on the moving substrate;
(D) positioning a plurality of stretched polymer tapes on the first monolayer, thereby forming a second monolayer, wherein the direction of the second monolayer is that of the first monolayer; Forming an angle α with respect to the direction;
The method of preparing a multilayer material sheet according to any one of claims 1 to 13, further comprising: (e) compressing the stack formed in this manner and consolidating the single layer.
(b)前記積み重ねたシートを温度および圧力をかけて圧密化するステップと
を含む耐弾性物品の製造方法。 (A) stacking at least two unidirectionally stretched polymer monolayers and sheets of material selected from the group consisting of ceramic, steel, aluminum, titanium, glass and graphite, or combinations thereof, the stack A plurality of stretched polymer unidirectional tapes in which the stretching directions of two consecutive monolayers are different and at least one monolayer is aligned in the same direction, wherein adjacent tapes do not overlap;
(B) A method for producing an elastic-resistant article, comprising: consolidating the stacked sheets by applying temperature and pressure.
(b)前記積み重ねたシートを温度および圧力をかけて圧密化するステップと
を含む耐弾性物品の製造方法。 (A) stacking at least two unidirectionally stretched polymer monolayers and sheets of material selected from the group consisting of ceramic, steel, aluminum, titanium, glass and graphite, or combinations thereof, each A single layer includes at least one unidirectional tape, and two continuous single layers in the stack have different stretching directions and are adjacent to a substantial length of a longitudinal edge of the at least one unidirectional tape. And along which, at least one monolayer does not include an area of increased thickness;
(B) A method for producing an elastic-resistant article, comprising: consolidating the stacked sheets by applying temperature and pressure.
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